人類活動影響下的工程懸移質(zhì)來沙量計算方法探討

井 涌，王紅艷，古明興

（陜西省水文水資源勘測中心,陜西 西安 710068）

1 問題

大規(guī)模持續(xù)人類活動對流域產(chǎn)水產(chǎn)沙造成數(shù)量增減上的顯著影響,主要包括流域內(nèi)興建的水利、水保及土地開發(fā)建設(shè)工程等。各種庫壩工程及河道引水工程的修建,使流域所產(chǎn)生的泥沙攔蓄在水庫或淤積于灌溉農(nóng)田之中；梯田、造林、種草等水保措施均可減輕流域侵蝕,從而減少流域產(chǎn)沙量；開礦、修路及城鎮(zhèn)建設(shè)向溝道河道的棄土棄渣又人為地增加了河道的輸沙量。

2000 年后,陜西省黃河流域河流年輸入黃河的泥沙量較1979 年前,年均減少約2.5 億t[1-2]。據(jù)新編《陜西省水文手冊》93 個20 年以上實測泥沙水文站的系列資料[3][4],分析人類活動影響顯著的“拐點”后期較前期,多年平均年輸沙模數(shù)減少50%以上的站42 個、占45%,減少35%以上的站70個、占75%。

水文站實測輸沙量的銳減,以及愈來愈多研究表明,這種銳減是人類活動與氣候變化共同作用下累積導(dǎo)致流域產(chǎn)水產(chǎn)沙環(huán)境條件發(fā)生不可逆變化的結(jié)果[5-7]。因此,工程設(shè)計斷面處的多年平均年輸沙量,既不能簡單用人類活動影響顯著的“拐點”前期輸沙模數(shù)計算,以免造成設(shè)計淤積死庫容過大,加大不必要的投資成本,也不能簡單用“拐點”后期參數(shù)計算,以免可能產(chǎn)生設(shè)計淤積庫容不足,帶來遠期風(fēng)險。

實際工作中應(yīng)充分考慮人類活動對流域產(chǎn)沙、輸沙的影響,根據(jù)具體情況采用恰當(dāng)?shù)姆椒ㄗ霰匾男拚?使之更加切合實際。

2 影響期分析確定

2.1 分析方法

人類活動在時空分布上具有不均勻性和不確定性,這種特性使流域原本自然的產(chǎn)沙機理和泥沙運移規(guī)律及其時空分布過程發(fā)生了改變。在現(xiàn)狀資料條件下,很難對人類活動影響的諸因素分別進行定量化的分析計算。

分析確定人類活動顯著影響流域懸移質(zhì)輸沙量的“拐點”是尋找修正這種影響的基礎(chǔ)。本文采用新編《陜西省水文手冊》中選用的93 個水文站20 年以上實測泥沙系列資料,并進行部分站渠道引沙和水庫淤積量逐年還原后,點繪各站年輸沙量單累積曲線,以曲線斜率突變處確定拐點年份的方法,分析確定各站的影響期。例如,馬湖峪站輸沙量累積曲線見圖1,曲線斜率突變處確定為拐點年份是1970 年。

圖1 馬湖峪水文站年輸沙量單累積曲線圖

2.2 影響期確定

93個選用水文站確定的拐點年份及特征值統(tǒng)計見表1,表中僅列了少部分水文站,詳見新編《陜西省水文手冊》[4]。

表1 選用水文站人類活動影響顯著的拐點前、后期特征值統(tǒng)計表

93 站中大部分40 年以上系列站的拐點年份在1970 年前后。綜合分析確定,陜北地區(qū)多在1970年前后、關(guān)中和陜南地區(qū)多在1970 年或1980 年前后,為人類活動影響顯著的拐點前、后期。

為了全省范圍統(tǒng)一協(xié)調(diào)考慮繪制相同資料系列輸沙模數(shù)圖及地形地貌等因素,統(tǒng)一采用1956 年~2012 年和1970年～2012 年同步長、短57 年和43 年系列,分別勾繪了長系列及1970 年~2012 年同步短系列人類活動顯著影響后期的懸移質(zhì)輸沙模數(shù)分區(qū)圖,連同表1“選用水文站人類活動影響顯著的拐點前、后期特征值統(tǒng)計表”,供無資料且人類活動影響顯著地區(qū)估算設(shè)計工程多年平均年輸沙量使用。

3 工程懸移質(zhì)來沙量計算方法

3.1 常用方法

1）有實測資料

設(shè)計計算斷面有20年以上實測年輸沙量系列資料,或采用本站流量與懸移質(zhì)輸沙率（量）,設(shè)計站與參證站懸移質(zhì)輸沙量相關(guān)關(guān)系,考慮兩者的差異插補延長到20年以上系列資料時,可用下式計算多年平均懸移質(zhì)年輸沙量：

式中：WS為多年平均懸移質(zhì)年輸沙量,104t；Wsi為i年懸移質(zhì)年輸沙量,104t；n為泥沙資料系列年數(shù)。

人類活動對設(shè)計斷面的輸沙量影響顯著時,可采用分別調(diào)查斷面以上各項水土保持措施,修路、開礦等減增沙量的分項調(diào)查法對資料進行一致性分析修正。

可根據(jù)工程設(shè)計要求和資料條件,進行下列有關(guān)內(nèi)容的分析計算和設(shè)計：

（1）多年平均含沙量、多年平均年輸沙量及其年內(nèi)分配。

（2）豐、平、枯不同典型年的年平均含沙量、年輸沙量及其年內(nèi)分配。

（3）實測最大斷面平均含沙量及其出現(xiàn)時間,最大、最小年輸沙量及其出現(xiàn)年份。

（4）多年平均和多年汛期平均顆粒級配,平均粒徑、中數(shù)粒徑、最大粒徑及礦物組成。

（5）泥沙地區(qū)分布。

2）無實測資料

無實測資料且人類活動影響小的地區(qū),一般可用以下2種辦法估算工程設(shè)計斷面處的多年平均年輸沙量。

（1） 水文比擬法

當(dāng)工程所在河流無實測泥沙資料,而設(shè)計流域自然地理及產(chǎn)水產(chǎn)沙條件與現(xiàn)有某水文站流域條件接近或相似時,可以該水文站作為參證站,利用參證站的輸沙模數(shù)推求設(shè)計流域多年平均懸移質(zhì)輸沙量。

本方法的關(guān)鍵在于選擇一個適當(dāng)?shù)膮⒆C流域。選擇參證流域時,須考慮流域的自然地理、氣候及水文下墊面產(chǎn)沙類型,以及人類活動影響程度的相似性。

設(shè)計流域多年平均懸移質(zhì)輸沙量可按下式估算：

式中：MSC為參證水文站流域多年平均懸移質(zhì)輸沙模數(shù),t/km2；為單位換算系數(shù)；其它符號意義同前。

工程設(shè)計斷面控制流域與參證站若在同一流域,并且控制流域面積與參證站流域面積相差在±15%以內(nèi)時,其輸沙模數(shù)可直接應(yīng)用。流域面積相差±15%以上時,可按無資料地區(qū)方法進行計算。

（2）懸移質(zhì)輸沙模數(shù)圖法

輸沙模數(shù),即流域單位面積的輸沙量,是判斷流域表面侵蝕程度的一個重要指標(biāo),它反映不同產(chǎn)沙地類條件下的流域表面侵蝕情況。懸移質(zhì)多年平均年輸沙模數(shù)可由式（3）計算[8]：

式中：MS為多年平均懸移質(zhì)輸沙模數(shù),t/km2,其它符號意義同前。

一般懸移質(zhì)泥沙輸沙模數(shù)圖是根據(jù)選用的水文站還原后的輸沙量系列資料,計算出各站多年平均懸移質(zhì)輸沙量模數(shù),將其點匯在相應(yīng)的流域重心處,以主要點據(jù)為依據(jù),考慮暴雨強度及地形、土壤,植被、地質(zhì)等自然因素,以及人為毀林開荒等影響勾繪而得。依據(jù)139個水文站的資料,勾繪的“陜西省1956年~2012年和1970年~2012年懸移質(zhì)多年平均年輸沙模數(shù)分區(qū)圖”詳見《陜西省水文手冊》。

查用懸移質(zhì)多年平均輸沙模數(shù)分區(qū)圖,應(yīng)根據(jù)設(shè)計流域位置先在年輸沙模數(shù)分區(qū)圖上查出相應(yīng)的輸沙模數(shù),再乘以設(shè)計流域面積,即得設(shè)計流域的懸移質(zhì)多年平均輸沙量。

采用輸沙模數(shù)分區(qū)圖算得的成果比較粗略,使用時應(yīng)進行流域調(diào)查并作全面的分析修正。

3.2 人類活動影響顯著無資料地區(qū)計算方法商討

3.2.1 修正水文比擬法

當(dāng)人類活動顯著影響無資料地區(qū)流域輸沙量計算時,可采用表1“選用水文站人類活動影響顯著的拐點前、后期特征值統(tǒng)計表”中的修正系數(shù)進行修正。一是可直接采用選用的參證站拐點后期輸沙模數(shù),不用修正估算；二是可再選取選用參證站拐點前期輸沙模數(shù)乘以相應(yīng)修正系數(shù),再與采用拐點后期輸沙模數(shù)估算值比較,并結(jié)合流域?qū)嵉卣{(diào)查綜合確定合理的設(shè)計估算值。

3.2.2 修正輸沙模數(shù)圖法

采用上述無資料懸移質(zhì)輸沙模數(shù)圖法中,勾繪的2 張長、短系列輸沙模數(shù)分區(qū)圖查算,若人類活動影響顯著,需要考慮修正的問題。為此,在分析確定93 站受人活動及氣候等自然條件綜合影響輸沙量突變的轉(zhuǎn)折年前后修正系數(shù)的基礎(chǔ)上,對各單站修正系數(shù)進行綜合分析,給出了我省陜北、關(guān)中、陜南三大水文分區(qū)的綜合相對修正系數(shù),供無資料地區(qū)計算時參考,見表2。

表2 人類活動影響懸移質(zhì)輸沙量綜合相對修正系數(shù)表

在使用時應(yīng)注意,分區(qū)綜合統(tǒng)計去掉了部分站特大值或特小值。若采用1956 年~2012 年長系列懸移質(zhì)多年平均輸沙模數(shù)分區(qū)圖查算,需選取合理修正系數(shù)修正；若采用1970 年~2012 年短系列輸沙模數(shù)分區(qū)圖查算,可不再修正,或考慮選取相對長系列選用修正系數(shù)較小的修正系數(shù)嘗試修正,最后需要根據(jù)工程運行安全,設(shè)計壽命,投資成本等,并結(jié)合流域調(diào)查綜合考慮確定。

3.2.3 雨沙模型法

降水和流域下墊面地形地貌是流域土壤侵蝕和產(chǎn)水產(chǎn)沙的主成因子,以主成因子為參數(shù)研究構(gòu)建水文站單站雨沙模型,并進行降水和下墊面地類參數(shù)的地區(qū)綜合,進一步建立流域雨沙模型,就可以應(yīng)用模型從理論上計算流域“天然”懸移質(zhì)輸沙量,進而比照分析得出較為合理的人類活動顯著影響的修正系數(shù)。

《陜西省水文計算手冊》[4]提出并構(gòu)建了流域雨沙模型結(jié)構(gòu)見下式：

式中：MS為某設(shè)計流域多年平均輸沙模數(shù),t/km2；B為水文分區(qū)參數(shù)；N為某設(shè)計流域的地類數(shù)；i為流域內(nèi)單一地類面積權(quán)重；Ci為某產(chǎn)沙地類產(chǎn)沙參數(shù),t/km2；Xs為某設(shè)計流域多年平均產(chǎn)沙降水指標(biāo)；m為與水文分區(qū)降水特征有關(guān)的參數(shù)；其他符號意義同前。

4 討論

人類活動顯著影響無資料地區(qū)流域設(shè)計斷面多年平均年輸沙量的計算是一個很復(fù)雜的技術(shù)難題。本文嘗試提出的修正常用水文比擬和輸沙模數(shù)圖法,主要僅供我省中小河流無資料地區(qū)設(shè)計估算時參考,強調(diào)需在全面調(diào)查分析設(shè)計流域人類活動影響狀況的基礎(chǔ)上分析估算,還可在2方面改進。

（1） 表2“人類活動影響懸移質(zhì)輸沙量綜合相對修正系數(shù)表”中的相對修正系數(shù),可考慮進一步細化陜北北部、中部、南部；關(guān)中秦嶺北麓、渭河北；陜南漢江南、漢江北,嘉陵江分區(qū)的系數(shù),更便利應(yīng)用于中小河流。

（2） 研究構(gòu)建我省流域雨沙模型。從理論和實踐上,提升計算全省各地流域懸移質(zhì)泥沙天然輸沙量,推求人類活動顯著影響修正的技術(shù)水平。